Grundpraktikum. Versuchsreihe: Materialwissenschaft

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1 Grundpraktikum Versuchsreihe: Materialwissenschaft Härten B404 Stand: Ziel des Versuchs: Die Härtbarkeit verschiedener Werkstoffe soll miteinander verglichen und die Einflussfaktoren auf die Härtbarkeit bestimmt werden. Inhalt 1 Einleitung 1 2 Theorie Härten Bedingungen des Härtens Abschrecken und Abschreckmedien Abkühlprozesses Jominy-Versuch Gefüge Abschreckgefüge ZTU-Diagrammen Einfluss von Legierungselementen Technische Bedeutung 11 3 Versuchsdurchführung Geräte / Proben Ablauf 12 4 Versuchsauswertung Bestimmung der Härtbarkeit Gefügeuntersuchung 12 5 Literatur 13 6 Anhang 13

2 1 Einleitung Verschiedene metallische Werkstoffe werden in der Industrie benutzt, wobei die Eigenschaften wie Duktilität, Zähigkeit und Härte entscheidenden Faktoren für verschiedene Applikationen sind. Je nach der Zielstellung sind manche Eigenschaften wichtiger als andere. Durch seine Eigenschaften, Vorhandensein und Preis, ist der Stahl der häufigste benutzte metallische Werkstoff. In verschiedenen Anwendungen sind manchmal die gegenteiligen Eigenschaften nötig, wie eine harte Oberfläche mit einem zähen Kern. Durch Optimierung können in dem Werkstoff solche Eigenschaften verwirklicht und somit solche Anforderungen erfüllen werden. Die Eigenschaften können bis zu einem gewissen Punkt durch die Mikrostruktur verändert werden. Die Mikrostruktur, sprich das Gefüge, lässt sich durch Wärmebehandlung verändern. Für die Wärmebehandlung sind die Temperatur und die Zeitspanne von Bedeutung. Durch die Veränderung dieser Faktoren, können das Gefüge und im Endeffekt die Eigenschaften des Werkstoffs verändert werden. Neben der Mikrostruktur kann auch die chemische Zusammensetzung die Eigenschaften beeinflussen. Hinzu kommt, dass durch verschiedene chemische Zusammensetzungen sich verschiedene Ansprechverhalten für die Wärmebehandlung ergeben. Eine von diesen Eigenschaften, die von dem Gefüge und der chemischen Zusammensetzung beeinflusst wird, ist die Härte. Jede Anwendung braucht eine bestimmte Härte. Um die Härtbarkeit verschiedener Stähle miteinander vergleichen zu können und um die Einflussfaktoren auf die Härtbarkeit des Werkstoffs zu bestimmen, werden verschiedene Verfahren benutzt. Eines von ihnen ist der Jominy-Versuch, auch Stirnabschreckversuch genannt. Dieses Verfahren wird nach DIN EN ISO 642 (veraltet DIN 50191) durchgeführt. In dem Versuch B404 werden drei Proben zur Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und dann in eine Abschreckanlage eingehängt und von der unteren Seite abgeschreckt. Danach werden die Härtewerte entlang dieser Proben gemessen. Um die Veränderung des Gefüges entlang der Proben zu beobachtet, wird das Gefüge unter dem Lichtmikroskop untergesucht. Dieses Praktikumskript besteht aus vier Kapiteln. Das erste Kapitel enthält die Einleitung, das zweite Kapitel erklärt die Theorie, das dritte Kapitel beschreibt die Versuchsdurchführung und das vierte Kapitel erklärt die Versuchsauswertung. 1

3 2 Theorie 2.1 Härten Unter Härten versteht man eine Verfahrenskombination, die zu einer erheblichen Härtesteigerung entweder des gesamten Bauteils (Volumenhärten) oder seiner Oberfläche (Oberflächenhärten) führt. In der Oberflächenhärten sind zwei Verfahren von Bedeutung: Randschichthärten und Einsatzhärten. Dem Volumenhärten und Oberflächenhärten wird in der Regel ein entspannendes Anlassen in der 1. Anlassstufe nachgeschaltet. Im folgendes wird die Volumenhärten beschrieben: Bedingungen des Härtens Ein Stahlwerkstoff ist durch Abschrecken härtbar, wenn er folgende Bedingungen erfüllt: Der Stahl muss der - - Umwandlung unterliegen. Es muss ein Mindestkohlenstoffgehalt vorhanden sein. Er beträgt für unlegierten Stahl 0.25%, für legierten Stahl 0.22%. Beim Abschrecken muss der Kohlenstoff in Lösung bleiben, so dass statt Ferrit und Perlit vorwiegend Martensit gebildet wird. Im Falle untereutektoider Stähle muss der Kohlenstoff beim Austenitisieren vollständig in Lösung gehen, d.h. ggf. vorhandene Carbide (Zementit, Sonder- oder Doppelcarbide) müssen soweit wie möglich gelöst werden. Übereutektoide Stähle werden nach dem Weichglühen (zur globularen Einformung des Zementits) aus dem Zweiphasengebiet "Austenit + Zementit" gehärtet. Stahl wird zur vollständigen Austenitisierung ( - - Umwandlung) geglüht. Für untereutektoide Stähle liegt die Glüh- oder Austenitisierungstemperatur T A K oberhalb A 3 (siehe Anhang 1), d.h. oberhalb der Linie G - S im Einphasengebiet des Eisen-Kohlenstoff- Diagramms (EKD). Für übereutektoide Stähle liegt T A dagegen K oberhalb von A 1, d.h. oberhalb der Linie S - K im Zweiphasengebiet + Fe 3 C des EKD. (Für das EKD siehe Anhang 1). 2.2 Abschrecken und Abschreckmedien Ein Eisenwerkstoff ist durch Abschrecken härtbar. Das Abschrecken ist ein wichtiger Schritt. Dieser Schritt besteht darin, den Werkstoff mit mindestens seiner kritischen Abkühlgeschwindigkeit von der Austenitisierungstemperatur T A so abzuschrecken, dass keine Diffusion im Werkstoff stattfinden kann. Dadurch kann man davon ausgehen, dass weitgehend Martensit gebildet wird. Als kritische Abkühlgeschwindigkeit v krit bezeichnet man die Abkühlgeschwindigkeit, die mindestens zur Martensitbildung notwendig ist; sie ist eine Werkstoffkonstante. Technisch genutzte Abschreckmedien sind: ruhende Luft, bewegte Luft (Lüfter, Pressluft), Mineralöl und Wasser. Die Abschreckintensität nimmt in der angegebenen Reihenfolge zu. Man wählt immer das mildeste Abschreckmedium, mit dem einerseits die kritische Abkühlgeschwindigkeit noch erreicht wird und andererseits thermische Spannungen zwischen Rand und Kern vermieden werden. Im Bereich der Perlitbildung sollte die Wärme möglichst 2

4 schnell abgeleitet werden, im Bereich der Martensitbildung dagegen möglichst langsam, um der Rissgefahr aufgrund von Umwandlungsspannungen entgegenzuwirken. Letztere entstehen, da der Martensit gegenüber dem Ausgangsgefüge ein größeres Volumen besitzt. Da der Wärmeübergang nur an der Werkstücksoberfläche erfolgt, hängt die Abkühlgeschwindigkeit von der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab. Sie sinkt mit steigendem Gehalt an Legierungselementen. 2.3 Abkühlprozesses Je nach Führung des Abkühlprozesses unterscheidet man (Abbildung 1): Direkthärtung (Abschreckhärtung): Das Bauteil wird von der Austenitisierungstemperatur T A unmittelbar auf Raumtemperatur RT abgeschreckt. Wegen der Verzugs- und Rissgefahr wendet man dieses Verfahren nur auf einfach geformte Bauteile aus legiertem Stahl an, die eine geringere Abkühlgeschwindigkeit benötigen. Gebrochene Härtung: Der Bauteil wird von T A schnell auf eine Temperatur oberhalb der Martensit-Starttemperatur M S abgeschreckt und von dort sofort in einem milderen Medium weiter abgeschreckt, um die Rissneigung herabzusetzen. Warmbadhärtung: Der Bauteil wird von T A in einem Warmbad abgekühlt, dessen Temperatur um M S liegt, und dort bis zum Temperaturausgleich gehalten. Bei der langsamen Abkühlung auf RT entsteht unter geringen Umwandlungsspannungen Martensit. Abbildung 1: Verfahren des Abschreckens Das Härten eines Stahls wird von verschiedenen Faktoren wie Austenitisierungstemperatur und -zeit, Abkühlgeschwindigkeit, Zusammensetzung sowie den Abmessungen des Bauteils bestimmt. So erfährt ein Bauteil bezogen auf seinen Querschnitt lokal unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten. Eine martensitisches Härten findet nur dort statt, wo mindestens die kritische Abkühlgeschwindigkeit v krit erreicht wurde, d.h. das Durchhärten des gesamten Werkstücks erfolgt nur, wenn sie bis in den Kern reicht. 2.4 Jominy-Versuch Um die Härtbarkeit, d.h. das Ausmaß der Härteannahme verschiedener Stähle miteinander vergleichen zu können, wurde der Stirnabschreckversuch (Jominy-Versuch) nach DIN eingeführt. Aus dem zu prüfenden Stahl wird eine zylindrische Probe mit 25 mm Durchmesser und 100 mm Länge geformt und diese mit einer Rille versehen, um sie in die Abschreckvorrichtung einzuhängen. Der Aufbau der Anlage ist Abbildung 2 zu entnehmen. Die Probe wird innerhalb von 20 Minuten auf T A aufgeheizt und 30 Minuten bei dieser Temperatur gehalten. 3

5 Anschließend wird die Probe innerhalb von 5 Sekunden in die Anlage eingehängt und ihre Stirnseite 10 Minuten lang mit dem Wasserstrahl abgeschreckt. Die Abkühlgeschwindigkeit sinkt mit dem Abstand von der Stirnfläche. Abbildung 2: Stirnabschreckanlage nach Jominy Zuletzt werden auf zwei parallel zur Zylinderachse angeschliffenen Flächen in regelmäßigem Abstand zur Stirnfläche Härtemessungen durchgeführt. Trägt man die Härte als Funktion des Abstandes auf, so ergibt sich eine Härteverlaufskurve (Abbildung 3). In diesem Zusammenhang sind folgende Begriffe von Bedeutung: Aufhärtbarkeit: maximal erreichbare Härte an der Stirnseite; abhängig vom C-Gehalt Härteverlauf: charakteristischer Härteabfall längs der Probe Einhärtetiefe: senkrechten Abstand von der Werkstückoberfläche bis zu dem Punkt, an dem die Härte einem festgelegten Grenzwert entspricht Abbildung 3: Härteverlauf längs der abgeschreckten Probe (Einhärtbarkeit) 4

6 2.5 Gefüge Abschreckgefüge Kühlt man -Fe sehr langsam ab, so bilden sich unterhalb von A 1 die Gleichgewichtsphasen -Fe und Fe 3 C. Das Mengenverhältnis der Gefügebestandteile Ferrit und Perlit (untereutektoide Stähle) bzw. Perlit und Zementit (übereutektoide Stähle) ist dem EKD zu entnehmen. Wie jede Diffusion ist auch die dazu notwendige Bewegung der C- und Fe-Atome nicht nur temperatur-, sondern auch zeitabhängig. Daher können unter Berücksichtigung der Parameter Abkühlgeschwindigkeit und Zeit unterschiedliche Gefüge entstehen, die aus dem EKD, welches sich nur auf die Einstellung eines thermodynamischen Gleichgewichts bezieht, nicht hervorgehen. Die Erzeugung von Ungleichgewichtsgefügen hat bei der Herstellung von Eisenwerkstoffen mit definierten Eigenschaften besondere technische Bedeutung! Je nach der Heftigkeit des Abkühlprozesses treten drei Unterkühlungsstufen des Austenits auf: Perlit (Siehe Anhang 2, Abbildung a) Zwischenstuffe (Siehe Anhang 2, Abbildungen b und c) Martensit (Siehe Anhang 2, Abbildungen d und e) Perlitstufe: Der Perlit weist feine, lichtmikroskopisch eben noch auflösbare Lamellen auf und wird als Sorbit bezeichnet. Höhere Abkühlgeschwindigkeiten führen am Ende der Perlitstufe zur Bildung extrem feiner Perlitlamellen (Troostit), die nur noch unter dem Elektronenmikroskop sichtbar sind. Der Lamellenabstand nimmt wegen der zunehmend behinderten C-Diffusion in der Reihenfolge Perlit - Sorbit - Troostit ab, die Härte von ca. 180 HV auf 400 HV zu. Nimmt die Abkühlgeschwindigkeit zu, so verschieben sich die das Austenitgebiet begrenzenden Kurven GSE (A 3 und A cm ) im EKD zu immer niedrigeren Temperaturen (Abbildung 5). Die Verschiebung des A r3 - Punktes verläuft schneller als diejenige des A r1 - Punktes (Abbildung 4). In diesem Bereich wird immer weniger Ferrit ausgeschieden; außerdem geht er von einer körnigen in eine bandartige Form über. Ab einer für jeden Stahl charakteristischen Abkühlgeschwindigkeit fallen beide Kurven zu A r zusammen; in diesem Fall wird die voreutektoide Ferritausscheidung bei Stählen mit 0.25 % C 0.8 % völlig unterdrückt, bei übereutektoiden Stählen unterbleibt die voreutektoide Ausscheidung von Sekundärzementit. Zwischenstufe (Bainitstufe): Das Bainit ist eine Interesannte Gefügeform, die nach ihrem Entdecker Bain Bainit genannt wurde. Der Temperaturbereich der Bainitstufe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fe-Diffusion nicht mehr und die C-Diffusion nur noch unter erschwerten Bedingungen möglich ist (vgl. A rz - Punkt in Abbildung 4). Bainit besteht aus einem Gemenge aus Ferrit und Carbiden; sein Gefüge ist nicht einheitlich, sondern stark von Abkühlgeschwindigkeit und Bildungstemperatur abhängig. Bei der Bainitbildung klappt der Austenit langsam in einen an Kohlenstoff übersättigten Martensit um; es handelt sich um eine martensitische Umwandlung. Gleichzeitig scheiden sich jedoch Carbide aus. Je niedriger die Bildungstemperatur des Bainits liegt, 5

7 desto feiner sind die Carbide verteilt und desto höher ist die Härte des Gefüges. Oberhalb von etwa 300 C handelt es sich um Zementit, unterhalb von 300 C um ein -Carbid. Oberer Bainit: Bei höheren Bildungstemperaturen entstehen grobe Carbide, da der Kohlenstoff noch in der Lage ist, bis an die Korngrenzen zu wandern (siehe Anhang 2, Abbildung b). Unterer Bainit: Aufgrund der niedrigen Bildungstemperaturen scheidet sich im Ferrit feinverteiltes Carbid in orientierter Form aus (Anhang 2, Abbildung c). Er ist nur mit Hilfe des Elektronenmikroskops auflösbar. In beiden Fällen ist das Bainitgefüge nadelig ausgebildet. Körniger Bainit setzt kontinuierliche Abkühlung voraus (Anhang 2, Abbildungen c und d). Martensitstufe: In diesem Bereich ist die Unterkühlung so groß, dass weder die Fe- noch die C- Diffusion stattfinden kann. Beim Überschreiten der unteren kritischen Abkühlgeschwindigkeit v u tritt im Gefüge erstmals Martensit auf. Beim Überschreiten der oberen kritischen Abkühl-geschwindigkeit v o ist es fast ausschließlich martensitisch (siehe Anhang 2). Bei der Martensitbildung klappt das kubisch flächenzentrierte (kfz) Gitter des Austenits durch eine konzertierte Translation der Fe-Atome in ein kubisch raumzentriertes (krz) Gitter um. Das raumzentrierte Gitter ist aufgrund der C-Übersättigung auf den Zwischengitterplätzen nicht kubisch, sondern tetragonal verzerrt, wobei die Verzerrung mit dem C-Gehalt zunimmt. Da die Elementarzelle des Martensits um 35 % größer ist als diejenige des Austenits, kommt es zu Volumenspannungen, welche durch die Bildung von Versetzungen und Zwillingen innerhalb der Körner verringert wird. Das so entstandene martensitische Gefüge weist plattenförmige Kristalle auf, die im Schliff als Nadeln zu sehen sind. Die Ursachen der Härtesteigerung des Martensits sind durch den C-Gehalten beeinflusses. Bei geringen C-Gehalten entsteht Massivmartensit, dessen Härte vor allem durch die hohe Versetzungsdichte verursacht wird. Bei höheren C-Gehalten entsteht Plattenmartensit, dessen Härte und Sprödigkeit in erster Linie auf der Gitterverspannung durch den zwangsgelösten Kohlenstoff beruht (Abbildung siehe Anhang). Ein Martensit mit 0.8 % C erreicht maximale Härte; bei höheren C-Gehalten wird Zementit ausgeschieden, so dass die Härte sinkt. Die Martensitbildung setzt nach dem Unterschreiten der Martensit-Starttemperatur M S ein und ist beim Erreichen der Endtemperatur M f (f = finish) abgeschlossen. Da M S und M f jedoch mit zunehmendem Gehalt an Kohlenstoff u.a. austenitstabilisierenden Elementen zu tieferen Temperaturen verschoben werden, so ist zumindest M f unter technischen Bedingungen nicht mehr erreichbar. Daher bleibt nach dem Abschrecken meistens ein restlicher Austenitanteil ("Restaustenit") im Martensit erhalten, insbesondere bei einem C-Gehalt 0.8 %. 6

8 Abbildung 4: Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit auf die Lage der Umwandlungspunkte am Beispiel eines C ZTU-Diagrammen Art und Mengenanteil der Ungleichgewichtsphasen werden in Zeit - Temperatur - Umwandlungsdiagrammen (kurz ZTU-Diagrammen) dargestellt (Abbildung 6). Daraus lassen sich wichtige Informationen über den zeitlichen Ablauf der Umwandlung, die Gefügebestandteile, ihre Mengenverhältnisse sowie die Endhärte ablesen. Je nach dem Abkuehlung gibt zwei ZTU-Diagrammen, die Diagammen sind: Isothermes ZTU-Diagramm Kontinuierliches ZTU-Diagramm Isothermes ZTU-Diagramm: Bei der Aufstellung eines isothermen ZTU-Diagramms werden Proben einer Stahlsorte auf dieselbe Austenitisierungstemperatur TA erhitzt, auf eine Temperatur TU A1 abgeschreckt und bis zur vollständigen Umwandlung des Austenits bei TU konstant gehalten. Die Umwandlungskurven entstehen, indem man die Punkte gleicher Umwandlung, z. B. Austenit zu Ferrit, in Abhängigkeit von der Zeit aufträgt und miteinander verbindet. Abbildung 6 zeigt ein typisches isothermes ZTU-Diagramm am Beispiel eines unlegierten Stahls mit 0.44 % C. Die Temperaturen Ac3, Ac1 und MS sind als waagerechte Linien eingetragen. Die Zahlen an den Kurven bezeichnen den prozentualen Anteil der zugehörigen Gefügebestandteile. Isotherme ZTU-Diagramme werden immer parallel zur Zeitachse gelesen: So besteht das Gefüge nach isothermer Umwandlung bei 600 C aus 25 % Ferrit und 75 % Perlit. Ferner lässt sich ablesen, dass die Umwandlung nach 8s beendet ist; die Härte beträgt dann 29 HRC. Mit zunehmender Unterkühlung des Austenits wächst einerseits sein Umwandlungsbestreben (Keimbildung), andererseits werden die Diffusionswege insbesondere der C-Atome beim Keimwachstum kürzer. Diese gegenläufigen Reaktionen führen zu einem Maximum der Umwandlungsgeschwindigkeit, der "Nase" der Umwandlungskurven. 7

9 Abbildung 6: Isothermes ZTU-Diagramm für einen unlegierten Stahl C 44 Kontinuierliches ZTU-Diagramm: Zur Aufstellung eines kontinuierlichen ZTU-Diagramms werden Proben einer Stahlsorte von der Austenitisierungstemperatur mit unterschiedlicher Geschwindigkeit kontinuierlich abgekühlt. Auf jeder Abkühlkurve werden die einzelnen Umwandlungspunkte vermerkt und die Punkte gleicher Umwandlung zu Kurven verbunden. Dort, wo sich die erhaltenen Umwandlungskurven mit den Abkühlkurven schneiden, sind die prozentualen Anteile der Gefügebestandteile aufgetragen; auch hier ist die ermittelte Härte am Ende der Abkühlkurven vermerkt. Kontinuierliche ZTU- Diagramme sind ausschließlich entlang der Abkühlkurven zu lesen. Von links nach rechts nimmt die Abkühlgeschwindigkeit ab. Gemäß Abbildung 7 besteht das Gefüge der nach Abkühlkurve I abgeschreckten Stahlprobe aus 1% Ferrit, 10 % Perlit, 20 % Bainit sowie 69 % Martensit (Härte 533 HV); die Martensitbildung setzt nach 6 Sekunden ein. Eine nach Kurve II abgekühlte Probe desselben Stahls weist zu je 50 % Ferrit und Perlit auf; seine Härte beträgt nur noch 210 HV. Hat man für eine bestimmte Stahlprobe den Härteverlauf längs der Zylinderachse (Einhärtbarkeit) ermittelt, so kann aus den Härtewerten mit Hilfe des ZTU-Diagramms auf das dort vorliegende Gefüge geschlossen werden. Häufig wird bei der kontinuierlichen Abkühlung während der Perlitbildung ein Wiederanstieg der Temperatur beobachtet (Rekaleszenz); es handelt sich um freigesetzte Umwandlungswärme. Jeder Stahl mit definierter chemischer Zusammensetzung hat sein spezielles ZTU- Diagramm. Dieses bezieht sich stets ausschließlich auf die angegebenen Parameter Aufheizgeschwindigkeit va, Austenitisierungstemperatur TA und Haltezeit bei TA, da auf diese Weise ein Austenit mit bestimmter Korngröße und Homogenität erzeugt wird, der das spätere Umwandlungsgefüge stark beeinflusst. 8

10 Abbildung 7: Kontinuierliches ZTU - Diagramm für einen unlegierten Stahl C Einfluss der Legierungselementen Während unlegierte Stähle nur Kohlenstoff und Eisenbegleiter (Verunreinigungen) enthalten, enthalten legierte Stähle außer Kohlenstoff einen Zusatz an Legierungselementen in bestimmter Konzentration, um die mechanischen, elektrischen oder chemischen Eigenschaften zu verbessern. Legierungselemente (mit X bezeichnet) beeinflussen die Lage der Temperaturen A 3 und A 4 im System Fe - X. Manche Legierungselemente lösen sich bevorzugt im kfz-austenitgitter (wie Ni und C), andere vor allem im krz-ferritgitter (wie Cr, Mo und C) jeweils unter Substitution von Fe-Atomen. Die Elemente Cr, W, Mo, V, Ti u.a. schränken als starke Carbidbildner das Austenitgebiet sehr ein. Sind zusätzlich Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Bor vorhanden, so können sich die Einlagerungsverbindungen Carbid, Nitrid bzw. Borid bilden. Im Fall eines legierten Stahls sind folgende Reaktionen möglich: Reaktion zwischen Legierungselement X und Zementit Mischcarbid (Fe,X) 3 C Reaktion zwischen Legierungselement X und C Sondercarbid X m C p Reaktion zwischen Legierungselement X, Fe und C Doppelcarbid X m Fe n C p Durch die X-Atome wird die Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs sowohl im austenitischen als auch ferritischen Mischkristall vermindert. Daher verlaufen Umwandlungen in Zusammenhang mit der C-Diffusion in legiertem Stahl langsamer als in unlegiertem; der Kohlenstoff wirkt zusätzlich austenitstabilisierend. Für den Austenitzerfall werden stärkere Unterkühlungen notwendig; die diffusionslose Umwandlung Austenit Martensit verschiebt sich zu tieferen Temperaturen. Infolgedessen zeigen die ZTU-Diagramme legierter Stähle gegenüber unlegierten Stählen deutliche Unterschiede: Die meisten Legierungselemente sowie die Erhöhung des C-Gehalts bis unterhalb von 0.8 % verlängern die Inkubationszeit (Anlaufzeit) der Umwandlung des unterkühlten Austenits, da sie die Bildung wachstumsfähiger Keime erschweren. Die kritische Abkühlgeschwindigkeit v krit wird erheblich verringert: Während ein unlegierter Stahl zur Martensitbildung innerhalb einer Sekunde von T A auf M S abgeschreckt werden muss, können für einen entsprechend legierten Stahl u.u. vierzig Sekunden gebraucht werden! 9

11 Die ZTU-Diagramme unlegierter oder nur mit Nickel legierter Stähle weisen keine ausgeprägte Trennung zwischen der Umwandlung in der Perlitstufe und derjenigen in der Zwischenstufe auf. Abbildung 8: Einfluss der Legierungselemente und anderer Faktoren auf das Umwandlungsverhalten des Austenits Dagegen zeigen Stähle mit höheren Gehalten an Sondercarbidbildnern (Cr, Mo, V, W) zwischen beiden Stufen einen umwandlungsträgen Bereich: Die Umwandlung in der Perlitstufe verschiebt sich zu höheren, die in der Bainitstufe zu geringeren Temperaturen. Die wichtigsten Legierungselemente bewirken eine Herabsetzung der Bainitstufe. Austenitstabilisatoren wie Co, Mn und Ni (verschieben die Perlitstufe zu niedrigen Temperaturen, Ferritstabilisatoren wie Si, Mo oder Cr bewirken eine Verlagerung zu höheren Temperaturen. Die Elemente Cr, Mn, Ni, Si, Mo und C senken die Martensit-Starttemperatur M S, Co und Al erhöhen sie. So besitzt jede Stahlsorte mit ihrem speziellen Gehalt an Legierungselementen und/oder Kohlenstoff ein eigenes ZTU-Diagramm mit einer entsprechenden Lage der Umwandlungsstufen sowie M S /M f. Aufgrund der Senkung der kritischen Abkühlgeschwindigkeit v krit nehmen legierte Stähle schon bei milderen Abschreckmedien die volle Martensithärte an (Ölhärter); Stähle mit höherem Kohlenstoff- und Legierungsgehalt bilden sogar bereits bei Luftabkühlung Martensit (Lufthärter). Dagegen sind unlegierte Stähle stets Wasserhärter. Während die Aufhärtbarkeit vor allem vom C-Gehalt abhängt, wird die Einhärtbarkeit in erster Linie vom Legierungsgehalt bestimmt (Abbildung 9). Folglich ist bei legiertem Stahl mit milden Abschreckmedien eine wesentlich größere Einhärtung erreichbar; mit Abnahme von v krit nimmt die Einhärtungstiefe zu. Daher sind auch dickwandige Bauteile aus legiertem Stahl gut durchhärtbar; ebenso können kompliziert geformte Teile ohne Riss- und Verzugsgefahr gehärtet werden. Einen weiteren Vorteil stellt die Möglichkeit dar, ganz gezielt ein spezielles Gefüge mit den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen. Da die M S - und M f - Temperaturen bei den entsprechenden Legierungsgehalten oft sehr niedrig liegen, so bleibt ein Anteil an Restaustenit erhalten. 10

12 Abbildung 9: Schematischer Verlauf der Einhärtbarkeit für 1) unlegierten, 2) niedriglegierten und 3) hochlegierten Stahl. Mit l werden die zugehörigen Einhärtungstiefen bezeichnet. 2.8 Technische Bedeutung Durch eine gezielte Wärmebehandlung kann ein Bauteil den jeweiligen Beanspruchungen spezifisch angepasst werden: Oberflächenhärten: Vergüten: Härten und Anlassen: Erzeugung einer harten, verschleißfesten Oberfläche bei elastischem Kern. Die Kennwerte sind durch die Werkstoffauswahl variierbar. Für Vergütungsstahl können angepasste Volumeneigenschaften erzielt werden; anschließend ist Oberflächenhärten möglich. Die Kennwerte sind einstellbar. Anpassung der Volumeneigenschaften; anschließend ist Oberflächenhärten möglich. Einsatz bei höheren Gebrauchstemperaturen ohne Festigkeitsverlust. Kennwerte einstellbar 3 Versuchsdurchführung 3.1 Geräte / Proben Geräte: Um diesen Versuchen durchführen zu können, sind fünf Geräten nötig Stirnabschreckanlage Härteprüfer V 100 C2 (Leco) Härteofen N11/R (Nabertherm) Bandschleifgerät Auflichtmikroskop MeF3A (Reichert-Jung) oder Metallux 3 (Leitz) Proben: Drei unbehandelten Proben mit verschiedener Zusammensetzung werden untersucht. Die Proben sind wie folgendes: Probe 1: C45 Probe 2: 41Cr4 Probe 3: X46Cr13 Um die proben an die Stirnabschreckanlage einhängen zu können, wurden die Proben metallographisch präpariert. 11

13 3.2 Ablauf 1. Bestimmung der Härtbarkeit, folgende Schritte sind noetig: Zwei Stirnabschreckproben werden austenitisierend geglüht und in der Anlage abgeschreckt. Es erfolgt eine Härtemessung in definiertem Abstand von der Stirnfläche; die Härtewerte der dritten Probe werden vorgegeben. 2. Gefügeuntersuchung: Das Gefüge einer metallographisch präparierten Stirnabschreckprobe ist nach Vorgabe durch den Betreuer unter dem Lichtmikroskop zu untersuchen 4 Versuchsauswertung 4.1 Bestimmung der Härtbarkeit Stellen Sie die Härte in Abhängigkeit vom Stirnabstand (Härteverlauf) für alle drei Werkstoffe graphisch in einem Diagramm dar. Bestimmen Sie die Aufhärtbarkeit der drei Proben. Geben Sie die jeweilige Einhärtetiefe für 80 % der Aufhärtbarkeit an. Wählen Sie für die Proben C45 und 41Cr4 jeweils 5, für die Probe X46Cr13 2 typische Kurvenpunkte aus. Bestimmen Sie für diese Punkte mit Hilfe der kontinuierlichen ZTU-Diagramme jeweils die Abkühlgeschwindigkeit und die Gefügebestandteile in Prozent. Werten Sie Ihre Ergebnisse. 4.2 Gefügeuntersuchung Interpretieren Sie das Ergebnis der mikroskopischen Gefügeuntersuchung der Stirnabschreckprobe. 12

14 5 Literatur [1] H.-J. Eckstein (Hrsg.): Technologie der Wärmebehandlung von Stahl, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1976 [2] Bergmann: Werkstofftechnik, Teil 1, Carl Hanser Verlag, München 1989 [3] Macherauch: Praktikum in Werkstoffkunde, Vieweg Verlag, Braunschweig 1992 [4] Schumann: Metallographie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1990 [5] Dahl (Hrsg.): Eigenschaften und Anwendungen von Stählen, Band 1: Grundlagen, Band 2: Stahlkunde, Verlag der Augustinus-Buchhandlung, Aachen 1993 [6] Riehle, Simmchen: Grundlagen der Werkstofftechnik, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Stuttgart 1997 [7] Reinbold, Geschke: Stähle und ihre Wärmebehandlung, Werkstoffprüfung, Lehrbuchreihe Technische Stoffe, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1990 [8] Härterei Ratgeber II Anhang 1. EKD 2. Abkühl- / Abschreckgefüge 3. Anlassgefüge 4. ZTU-Diagramme 13

15 Anhang 1 14

16 Anhang 2 (a) (b) (c) (d) (e) 15

17 Anhang 3 16

18 Anhang 4 ZTU Diagramm C45 Stahl ZTU Diagramm 41Cr4 Stahl 17

19 ZTU Diagramm X46Cr13 Stahl 18